(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を支援する予測支援装置であって、
ＤＬＣ表面モデル、添加元素、及び、表面に吸着する分子を入力する入力手段と、
前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に前記添加元素を導入した状態について、所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行うことによって、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣの初期構造を決定する初期構造決定手段と、
前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣ及び前記分子が存在する状態を始状態とし、前記分子が前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態とし、前記終状態のエネルギーと前記始状態のエネルギーとの差である第１指標値を算出する第１指標値算出手段と、
を具備することを特徴とする予測支援装置。
【請求項２】
前記終状態について、前記所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行い、前記終状態における分極の度合を示す第２指標値を算出する第２指標値算出手段、
を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の予測支援装置。
【請求項３】
前記第１指標値が、前記始状態よりも前記終状態の方が安定であることを示す場合には、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣが低摩擦特性を発現する可能性が高いと判定する第１判定手段、
を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の予測支援装置。
【請求項４】
前記分子について、前記所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行い、前記分子の分極の度合を示す第３指標値を算出する第３指標値算出手段と、
前記第１指標値が、前記始状態よりも前記終状態の方が安定であることを示し、かつ、前記第２指標値が、前記第３指標値よりも分極の度合が進んでいることを示す場合には、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣが低摩擦特性を発現する可能性が高いと判定する第２判定手段と、
を更に具備することを特徴とする請求項２に記載の予測支援装置。
【請求項５】
前記初期構造決定手段は、前記添加元素を導入するサイト及び前記分子を吸着させるサイトの組合せを計算パターンとして予め複数定義しておき、前記計算パターンごとに表面吸着分子の安定エネルギーを算出し、前記安定エネルギーが最小となる前記計算パターンに係る構造を前記初期構造として決定することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の予測支援装置。
【請求項６】
前記入力手段は、前記添加元素を複数入力し、
前記初期構造決定手段は、前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に複数の前記添加元素を導入した状態について、前記所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行うことによって、複数の前記添加元素が添加された複合系元素添加ＤＬＣの初期構造を決定し、
前記第１指標値算出手段は、
前記初期構造からなる複合系元素添加ＤＬＣ及び前記分子が存在する状態を始状態とし、前記分子が前記初期構造からなる複合系元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態とし、前記終状態のエネルギーと前記始状態のエネルギーとの差である第１指標値を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の予測支援装置。
【請求項７】
前記入力手段は、更に、前記添加元素の添加量を入力し、
前記初期構造決定手段は、前記添加量に応じて、前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に導入する前記添加元素の量を変更することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の予測支援装置。
【請求項８】
コンピュータによって、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を支援する予測支援方法であって、
ＤＬＣ表面モデル、添加元素、及び、表面に吸着する分子を入力するステップと、
前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に前記添加元素を導入した状態について、所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行うことによって、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣの初期構造を決定するステップと、
前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣ及び前記分子が存在する状態を始状態とし、前記分子が前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態とし、前記終状態のエネルギーと前記始状態のエネルギーとの差である第１指標値を算出するステップと、
を含むことを特徴とする予測支援方法。
【請求項９】
コンピュータに、
ＤＬＣ表面モデル、添加元素、及び、表面に吸着する分子を入力するステップと、
前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に前記添加元素を導入した状態について、所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行うことによって、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣの初期構造を決定するステップと、
前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣ及び前記分子が存在する状態を始状態とし、前記分子が前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態とし、前記終状態のエネルギーと前記始状態のエネルギーとの差である第１指標値を算出するステップと、
を実行させる為のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を支援する予測支援装置等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、分子シミュレーション（電子状態計算、分子動力学法）を用いたＤＬＣの堆積弾性率や分子吸着に着目したＳｉ（シリコン）、Ｈ（水素）含有の効果が研究されてきている（非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００３】
非特許文献１では、電子状態計算によって、ＤＬＣ（Diamond Like
Carbon；ダイヤモンドライクカーボン）、Ａｌ（アルミニウム）界面の水素分子、窒素分子、水分子の吸着を解析することが記載されている。
また、非特許文献２では、ＤＬＣに対するＳｉ（シリコン）添加量、Ｈ（水素）添加量に応じた堆積弾性率の変化を電子状態計算によって算出することが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“Atmosphericeffects on the adhesion and friction and friction between non-hydrogenated diamond-likecarbon(DLC) coating and aluminum - A first principles investigation” Y. Qi, EKonca, A. T. Alpas, Surface Science 600 (2006) 2955-2965
【非特許文献２】“Nanostructual interpretationfor elastic softening of amorphous carbon induced by the incorporation ofsilicon and hydrogen atoms” T. Kumagai, S. Sawai, J Choi, S. Izumi, T. Kato,Journal of Applied Physics 107 (2010) 124315
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＤＬＣに対して摩擦を低減するために有効な添加元素を予測する方法は知られていない。低摩擦を発現する「特定の元素が添加されたＤＬＣ」（以下、「元素添加ＤＬＣ」という。）の探索は、従来であれば、実験による試行錯誤が必要であり、膨大な実験コストが必要である。その為、全ての有効組成が特定されている訳ではない。
【０００６】
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、低摩擦特性を発現するか否かを判断する為の指標値を算出し、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を支援する予測支援装置等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した目的を達成するために第１の発明は、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を支援する予測支援装置であって、ＤＬＣ表面モデル、添加元素、及び、表面に吸着する分子を入力する入力手段と、前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に前記添加元素を導入した状態について、所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行うことによって、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣの初期構造を決定する初期構造決定手段と、前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣ及び前記分子が存在する状態を始状態とし、前記分子が前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態とし、前記終状態のエネルギーと前記始状態のエネルギーとの差である第１指標値を算出する第１指標値算出手段と、を具備することを特徴とする予測支援装置である。
第１の発明により、低摩擦特性を発現するか否かを判断する為の指標値を算出し、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を支援することができる。
【０００８】
第１の発明は、前記終状態について、前記所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行い、前記終状態における分極の度合を示す第２指標値を算出する第２指標値算出手段、を更に具備することが望ましい。
これによって、更なる指標値を算出することができ、ひいては、低摩擦特性を発現する可能性を高精度に予測することができる。
【０００９】
また、第１の発明は、例えば、前記第１指標値が、前記始状態よりも前記終状態の方が安定であることを示す場合には、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣが低摩擦特性を発現する可能性が高いと判定する第１判定手段、を更に具備する。
これによって、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測結果を出力することができる。
【００１０】
また、第１の発明は、例えば、前記分子について、前記所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行い、前記分子の分極の度合を示す第３指標値を算出する第３指標値算出手段と、前記第１指標値が、前記始状態よりも前記終状態の方が安定であることを示し、かつ、前記第２指標値が、前記第３指標値よりも分極の度合が進んでいることを示す場合には、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣが低摩擦特性を発現する可能性が高いと判定する第２判定手段と、を更に具備する。
これによって、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測結果を精度良く出力することができる。
【００１１】
また、第１の発明における前記初期構造決定手段は、前記添加元素を導入するサイト及び前記分子を吸着させるサイトの組合せを計算パターンとして予め複数定義しておき、前記計算パターンごとに表面吸着分子の安定エネルギーを算出し、前記安定エネルギーが最小となる前記計算パターンに係る構造を前記初期構造として決定することが望ましい。
これによって、元素添加ＤＬＣの初期構造を精度良く決定することができる。
【００１２】
また、第１の発明における前記入力手段は、前記添加元素を複数入力し、前記初期構造決定手段は、前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に複数の前記添加元素を導入した状態について、前記所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行うことによって、複数の前記添加元素が添加された複合系元素添加ＤＬＣの初期構造を決定し、前記第１指標値算出手段は、前記初期構造からなる複合系元素添加ＤＬＣ及び前記分子が存在する状態を始状態とし、前記分子が前記初期構造からなる複合系元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態とし、前記終状態のエネルギーと前記始状態のエネルギーとの差である第１指標値を算出するものであっても良い。
これによって、数種類の添加元素を添加する複合系元素添加ＤＬＣについても、低摩擦予測が可能となる。
【００１３】
また、第１の発明における前記入力手段は、更に、前記添加元素の添加量を入力し、前記初期構造決定手段は、前記添加量に応じて、前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に導入する前記添加元素の量を変更するものであっても良い。
これによって、添加量の入力値を変更してそれぞれの計算結果を確認することにより、添加量の多寡によって低摩擦特性に影響が無いということを予測することが可能となる。
【００１４】
第２の発明は、コンピュータによって、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を支援する予測支援方法であって、ＤＬＣ表面モデル、添加元素、及び、表面に吸着する分子を入力するステップと、前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に前記添加元素を導入した状態について、所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行うことによって、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣの初期構造を決定するステップと、前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣ及び前記分子が存在する状態を始状態とし、前記分子が前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態とし、前記終状態のエネルギーと前記始状態のエネルギーとの差である第１指標値を算出するステップと、を含むことを特徴とする予測支援方法である。
第２の発明により、低摩擦特性を発現するか否かを判断する為の指標値を算出し、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を支援することができる。
【００１５】
第３の発明は、コンピュータに、ＤＬＣ表面モデル、添加元素、及び、表面に吸着する分子を入力するステップと、前記ＤＬＣ表面モデル内の一部に前記添加元素を導入した状態について、所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行うことによって、前記添加元素が添加された元素添加ＤＬＣの初期構造を決定するステップと、前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣ及び前記分子が存在する状態を始状態とし、前記分子が前記初期構造からなる元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態とし、前記終状態のエネルギーと前記始状態のエネルギーとの差である第１指標値を算出するステップと、を実行させる為のプログラムである。
第３の発明によって、第１の発明における予測支援装置を得ることができる。また、第３の発明によって、第２の発明における予測支援方法を実行することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、低摩擦特性を発現するか否かを判断する為の指標値を算出し、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を支援する予測支援装置等を提供することができる。特に、本発明により、実験に頼ることなく低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣを予測することができるので、コストを抑えて、低摩擦特性を発現する新規のＤＬＣを開発することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】予測支援装置１を実現するコンピュータのハードウエア構成図
【図２】予測支援装置１の処理の流れを示すフローチャート
【図３】ダイヤモンドPandey表面構造ユニットセルと周期的に拡張した表面を示す図
【図４】添加元素Ｘを導入したダイヤモンド(111)Pandey表面の平面図
【図５】元素添加ＤＬＣの始状態と終状態の模式図
【図６】３Ｃ−Ｘ−ＯＨの模式図と水分子の分極を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、予測支援装置１を実現するコンピュータのハードウエア構成図である。尚、図１のハードウエア構成は一例であり、用途、目的に応じて様々な構成を採ることが可能である。
【００１９】
予測支援装置１は、制御部１１、記憶部１２、メディア入出力部１３、通信制御部１４、入力部１５、表示部１６、周辺機器Ｉ／Ｆ部１７等が、バス１８を介して接続される。
【００２０】
制御部１１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。
【００２１】
ＣＰＵは、記憶部１２、ＲＯＭ、記録媒体等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス１８を介して接続された各装置を駆動制御し、予測支援装置１が行う後述する処理を実現する。
ＲＯＭは、不揮発性メモリであり、コンピュータのブートプログラムやＢＩＯＳ等のプログラム、データ等を恒久的に保持している。
ＲＡＭは、揮発性メモリであり、記憶部１２、ＲＯＭ、記録媒体等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部１１が各種処理を行う為に使用するワークエリアを備える。
【００２２】
記憶部１２は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）であり、制御部１１が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ、ＯＳ（オペレーティングシステム）等が格納される。プログラムに関しては、ＯＳ（オペレーティングシステム）に相当する制御プログラムや、後述する処理をコンピュータに実行させるためのアプリケーションプログラムが格納されている。
これらの各プログラムコードは、制御部１１により必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、ＣＰＵに読み出されて各種の手段として実行される。
【００２３】
メディア入出力部１３（ドライブ装置）は、データの入出力を行い、例えば、ＣＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）、ＤＶＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）等のメディア入出力装置を有する。
通信制御部１４は、通信制御装置、通信ポート等を有し、コンピュータとネットワーク間の通信を媒介する通信インタフェースであり、ネットワークを介して、他のコンピュータ間との通信制御を行う。ネットワークは、有線、無線を問わない。
【００２４】
入力部１５は、データの入力を行い、例えば、キーボード、マウス等のポインティングデバイス、テンキー等の入力装置を有する。
入力部１５を介して、コンピュータに対して、操作指示、動作指示、データ入力等を行うことができる。
表示部１６は、液晶パネル等のディスプレイ装置、ディスプレイ装置と連携してコンピュータのビデオ機能を実現するための論理回路等（ビデオアダプタ等）を有する。
【００２５】
周辺機器Ｉ／Ｆ（インタフェース）部１７は、コンピュータに周辺機器を接続させるためのポートであり、周辺機器Ｉ／Ｆ部１７を介してコンピュータは周辺機器とのデータの送受信を行う。周辺機器Ｉ／Ｆ部１７は、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４やＲＳ−２３２Ｃ等で構成されており、通常複数の周辺機器Ｉ／Ｆを有する。周辺機器との接続形態は有線、無線を問わない。
バス１８は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。
【００２６】
次に、予測支援装置１の処理内容について説明する。予測支援装置１は、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を行う、又は、予測を支援する装置である。
例えば、シリコン含有ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ−Ｓｉ）は、優れた低摩擦特性、密着性を有している。ＤＬＣ−Ｓｉの低摩擦特性は、摺動時においてＤＬＣ−Ｓｉ表面のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が生成し、そこを基点として形成された数ｎｍの吸着水が固体間の接触を防ぐ境界膜として作用するためであることが分かっている。この知見は、以下の（文献１）〜（文献５）において詳細に記載されている。
（文献１）K. Oguri and T. Arai, J. Mater.
Res. 7 (1992) 1313.
（文献２）H. Mori and H. Tachikawa, Surf.
Coat. Technol., 149 (2002) 225.
（文献３）H. Mori et. al., SAE, 2007-01-1015.
（文献４）N. Kato et. al., Phys. Stat. Sol. 5
(2008) 1117.
（文献５）H. Washizu et. al., J. Phys.: Conf.
Ser. 89 (2007) 012009.
【００２７】
予測支援装置１は、前述の知見に基づき、添加元素ＸをＤＬＣ膜内へ導入したモデルにより電子状態計算を行い、Ｘ−ＯＨのエネルギー安定性や電子状態について解析を行うことによって、低摩擦特性を発現する為の添加元素Ｘを予測し、ひいては低摩擦のＤＬＣ−Ｘを予測する。
【００２８】
図２は、予測支援装置１の処理の流れを示すフローチャートである。
図２に示すように、予測支援装置１の入力部１５等を介して、ＤＬＣ表面モデル、添加元素、及び、表面に吸着する分子などが指定されると、予測支援装置１の制御部１１は、指定されたＤＬＣ表面モデル、添加元素、添加量、及び、表面に吸着する分子を入力する（ステップＳ１）。以下、単に「分子」と記載したときは、分子がＤＬＣ表面に吸着している状態か否かについて特に示していないものとする。一方、「表面吸着分子」と記載したときは、分子がＤＬＣ表面に吸着している状態を示すものとする。
【００２９】
ＤＬＣ表面モデルとは、ＤＬＣの表面構造の近似モデルである。ＤＬＣは、炭素のｓｐ３結合とｓｐ２結合が混在したアモルファス構造である。構造の詳細が明らかにされていないため、ＤＬＣ自体の構造を直接計算に組み込むことはできない。そこで、本発明では、近似モデルとしてＤＬＣ表面モデルを導入することにする。ＤＬＣ表面モデルの具体例としては、例えば、表面にｓｐ３結合とｓｐ２結合が共存したダイヤモンド表面のモデルであるPandey表面モデルなどが挙げられる。Pandey表面モデルについては、以下の文献（６）において詳細に記載されている。
（文献６）K. C. Pandey, Phys. Rev. B 25
(1982) 4338.
【００３０】
本発明に対するPandey表面モデルの適用例は、実施例として後述する。
尚、本発明に適用可能なＤＬＣ表面モデルは、Pandey表面モデルに限定されるわけではなく、様々な既知のモデルを適用することが可能である。
【００３１】
添加元素は、ＤＬＣに添加する元素である。本発明に適用可能な添加元素は、特に制限はない。また、ステップＳ１において入力される添加元素は、１種類に限らず、複数種類であっても良い。
【００３２】
添加量は、ＤＬＣに添加する添加元素の量である。添加量の多寡によって低摩擦特性に影響があることは考えにくいが、影響が無いことを実験によって証明することは多大なコストがかかる。本発明によれば、添加量の入力値を変更してそれぞれの計算結果を確認することにより、添加量の多寡によって低摩擦特性に影響が無いということを予測することが可能となる。
【００３３】
ＤＬＣ表面に吸着する分子としては、水（Ｈ２Ｏ）やアルコール（Ｒ−ＯＨ）などが挙げられる。
ＤＬＣは、優れた摩擦摩耗特性（トライボロジー特性）を有し、自動車部品などの様々な機械部品のコーティング膜として用いられることが多い。
例えば、表面吸着分子として水を指定する場合、特に、大気中無潤滑及び無添加油中において（大気中には水分を含む。）、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣを予測することが可能となる。
また、例えば、表面吸着分子として特定のアルコールを指定する場合、特定のアルコールが存在する場合において、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣを予測することが可能となる。
【００３４】
次に、制御部１１は、ステップＳ１において入力されたＤＬＣ表面モデル内の一部に、ステップＳ１において入力された添加元素を導入した状態について、所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行い、元素添加ＤＬＣの初期構造を決定する（ステップＳ２）。
【００３５】
ここで、制御部１１は、ステップＳ１において入力された添加量に応じて、ＤＬＣ表面モデル内の一部に導入する添加元素の量を変更する。
また、制御部１１は、ステップＳ１において添加元素が複数入力された場合、ＤＬＣ表面モデル内の一部に複数の添加元素を導入した状態について、所定の計算条件に基づいて電子状態計算を行うことによって、複数の添加元素が添加された複合系元素添加ＤＬＣの初期構造を決定する。
【００３６】
電子状態計算とは、結晶、表面、クラスターなどの系の電子状態（電子構造）を求める計算のことである。計算手法としては、第１原理バンド計算、分子軌道法、密度汎関数法（Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｔｈｅｏｒｙ：ＤＦＴ）、Ｈａｒｔｒｅｅ−Ｆｏｃｋ法などが挙げられる。
【００３７】
第１原理バンド計算は、実験結果に依らず（第１原理）、系の電子状態を求める計算（バンド計算）である。
分子軌道法は、分子系の電子の状態に対するシュレティンガー方程式を近似的に解く方法である。
密度汎関数法は、「３次元空間座標の関数として定義される電子密度が与えられれば系のエネルギーが確定する」という定理に基づき、系のエネルギー（電子の運動エネルギー、クーロンエネルギー、交換エネルギー、相関エネルギーの和）を求める手法である。電子密度は空間座標の関数であり、各エネルギー項は更に電子密度の関数であることから、エネルギーは電子密度の汎関数（関数の関数）となる。
Ｈａｒｔｒｅｅ−Ｆｏｃｋ法は、全電子波動関数を個々の電子の分子軌道から構築したＳｌａｔｅｒ行列式により近似する手法である。
【００３８】
本発明では、電子状態計算を実現するプログラムとして、従来公知のものを利用することが可能である。電子状態計算を実現するプログラムとしては、例えば、密度汎関数法に基づいた電子状態計算プログラムであるTAPP(Tokyo Ab-initio Program Package)などが挙げられる。
【００３９】
元素添加ＤＬＣの初期構造とは、入力された添加元素ＸをＤＬＣに導入した状態、すなわちＤＬＣ−Ｘの表面モデルの安定初期表面を意味する。
制御部１１は、例えば、添加元素を導入するサイト及び分子を吸着させるサイトの組合せを計算パターンとして予め記憶部１２に複数記憶させておき、計算パターンごとに表面吸着分子（表面に吸着した状態の分子）の安定エネルギーを算出し、安定エネルギーが最小となる計算パターンに係る構造を初期構造として決定する。これによって、元素添加ＤＬＣの初期構造を精度良く決定することができる。
尚、サイトは、ＤＬＣ表面モデルにおける特定の位置を意味する。
【００４０】
次に、制御部１１は、ステップＳ２において決定された元素添加ＤＬＣの初期構造に基づいて、低摩擦特性を発現するか否かを判断する為の指標値を算出する（ステップＳ３）。
【００４１】
制御部１１は、指標値を算出する為に、初期構造からなる元素添加ＤＬＣ及び前記分子が存在する状態を始状態、分子が初期構造からなる元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態として定義する。
また、制御部１１は、ステップＳ１において添加元素が複数入力された場合、初期構造の複合系元素添加ＤＬＣ及び分子が存在する状態を始状態、分子が前記初期構造の複合系元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態として定義する。
【００４２】
始状態から終状態への起こり得る反応として全ての添加元素に共通する仮定は、「添加元素をＸとしたときに、終状態ではＸ−ＯＨが生成されること」、及び、「Ｘ−ＯＨに分子が吸着すること」である。この仮定は、「ＤＬＣ−Ｓｉの低摩擦特性が、摺動時においてＤＬＣ−Ｓｉ表面のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が生成し、そこを基点として形成された数ｎｍの吸着水が固体間の接触を防ぐ境界膜として作用する」という知見に基づくものである。
尚、始状態及び終状態ともに、複数の状態が想定される場合には、想定される状態の中で最もエネルギーが安定となる状態を採用することが望ましい。
【００４３】
制御部１１は、指標値として、以下の３つを算出する。
（１）第１指標値：終状態のエネルギーと始状態のエネルギーとの差
（２）第２指標値：終状態における分極の度合
（３）第３指標値：分子の分極の度合
各指標値の算出処理については、実施例として後述する。
【００４４】
次に、制御部１１は、ステップＳ３において算出された指標値に基づいて、低摩擦特性を発現するか否か判定する（ステップＳ４）。
【００４５】
例えば、制御部１１は、第１指標値が、始状態よりも終状態の方が安定であることを示す場合には、添加元素が添加された元素添加ＤＬＣが低摩擦特性を発現する可能性が高いと判定する。
第１指標値は、Ｘ−ＯＨ（Ｘは添加元素）の生成のし易さを表すと考えられるから、指標値として最も重要である。そこで、制御部１１は、第１指標値だけを用いて低摩擦特性を発現する可能性を判定しても良い。
【００４６】
また、例えば、制御部１１は、第１指標値が、始状態よりも終状態の方が安定であることを示し、かつ、第２指標値が、第３指標値よりも分極の度合が進んでいることを示す場合には、添加元素が添加された元素添加ＤＬＣが低摩擦特性を発現する可能性が高いと判定する。
第２指標値は、Ｘ−ＯＨ（Ｘは添加元素）が分子を引き付ける強さを表すと考えられるから、第１指標値による判定を更に補強する指標値であると言える。ここで、分極の度合は、電子状態計算における計算条件によって、値が変動する可能性がある。そこで、制御部１１は、表面に吸着していない状態での分子の分極の度合を第３指標値として算出し、第２指標値の絶対評価ではなく、第２指標値と第３指標値との相対評価によって判定する。
制御部１１が、第１指標値の絶対評価、及び、第３指標値に対する第２指標値の相対評価を行うことによって、低摩擦特性を発現する可能性を高精度に判定することができる。
【００４７】
次に、制御部１１は、ステップＳ４において「低摩擦」と判定した場合（ステップＳ４の「低摩擦」）、計算対象の元素添加ＤＬＣが低摩擦特性を発現する旨を表示部１６等に出力する（ステップＳ５）。
一方、制御部１１は、ステップＳ４において「低摩擦でない」と判定した場合（ステップＳ４の「低摩擦でない」）、計算対象の元素添加ＤＬＣが低摩擦特性を発現しない旨を表示部１６等に出力する（ステップＳ６）。
【００４８】
以上の処理を行うことによって、予測支援装置１は、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測結果を出力することができる。
尚、制御部１１は、ステップＳ４〜Ｓ６に代えて、ステップＳ３において算出された指標値を表示部１６等に出力するようにしても良い。そして、ユーザが、出力された指標値に基づいて、低摩擦特性を発現するか否か予測するようにしても良い。これによって、予測支援装置１は、ユーザによる予測を支援することができる。
【実施例】
【００４９】
以下では、図３〜図６を参照しながら、本発明の実施例と、実施例の検証結果について説明する。図３は、ダイヤモンドPandey表面構造ユニットセルと周期的に拡張した表面を示す図である。図４は、添加元素Ｘを導入したダイヤモンド(111)Pandey表面の平面図である。図５は、元素添加ＤＬＣの始状態と終状態の模式図である。図６は、３Ｃ−Ｘ−ＯＨの模式図と水分子の分極を示す図である。
【００５０】
本実施例では、ステップＳ１における入力データは、以下の通りとした。
（１）ＤＬＣ表面モデル：Pandey表面モデル
（２）添加元素Ｘ：Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（シリコン）、Ｔｉ（チタン）のいずれか１つ
（３）添加量：ＤＬＣ表面モデル内の表面に位置する１個のＣ（炭素）を添加元素Ｘに置換
（４）分子：Ｈ２Ｏ（水分子）
【００５１】
４種類の添加元素Ｘを１つずつ計算することから、本実施例では、図２に示すフローチャートを４回実行したことになる。尚、Ｘ＝Ｃ（炭素）は、添加元素を導入していない場合である。
【００５２】
また、本実施例では、密度汎関数法に基づいた電子状態計算プログラムであるTAPP(Tokyo
Ab-initio Program Package）を用いて、ステップＳ２、Ｓ３における電子状態計算を行った。
電子状態計算における主な計算条件は、以下の通りとした。電子交換・相関相互作用は、GGA-PBE汎関数を採用した。擬ポテンシャルは、ultra-soft pseudo
potentialを採用した。電子軌道は、２５Ｒｙｄ.以下のエネルギーを持つ平面波基底で展開されるものとした。構造最適化は、原子にかかる力が５×１０−３Ｈｔ／ｂｏｒｈ．以下となるまで行った。分極の計算は、同様の計算条件によってＤＭｏｌ３を用いて行った。
【００５３】
図３に示すように、Pandey表面モデルは、表面においてｓｐ２結合が[11~1]方向に沿ってジグザグ状に配列している。ここで、x~は、xの「オーバーライン」を意味する。つまり、左記の例では、２番目の「1」の上部にオーバーラインが付されることを意味する。
走査トンネル顕微鏡によるＤＬＣの表面観察によって、実際にこのジグザグ構造が観測されていることが、下記の文献に記載されている。
（文献７）B. Marchon et. al., Phys. Rev. B 39
(1989) 12907.
（文献８）S. Bhargava et. al., Solid State
Commun. 90 (1994) 2025.
従って、Pandey表面モデルを用いることによってＤＬＣの表面を模擬できると期待される。
【００５４】
ユニットセルは、ダイヤモンド(111) ２×２Pandey表面(表面にｓｐ３結合とｓｐ２結合のＣ（炭素）がそれぞれ４個ずつ存在)とした。固体内部原子層は、１２層によって構成されるものを用い、そのユニットセルに周期的境界条件を適用した。
【００５５】
制御部１１は、ステップＳ２の処理として、ＤＬＣ表面モデル内の表面に位置する１個のＣ（炭素）を、添加元素Ｘに置換した。また、実際のＤＬＣはＨ（水素）を含有している為、制御部１１は、ＤＬＣ表面モデル内の表面にＨ（水素）を１つ吸着させた。制御部１１は、このようなＤＬＣ表面モデルの表面を、添加元素Ｘが添加された元素添加ＤＬＣ（以下、「ＤＬＣ−Ｘ」と記載する。）の初期構造とした。
そして、制御部１１は、ステップＳ３の処理として、Ｘ−ＯＨのエネルギー安定性（第１指標値）や分極（第２指標値及び第３指標値）を計算した。
【００５６】
最初に、図４を参照しながら、ステップＳ２の処理について詳細に説明する。ステップＳ２では、ＤＬＣ−Ｘの安定初期表面を探索する。尚、図４における１〜６の丸数字に相当する文字コードは、電子出願では利用できない為、以下では、便宜上、＜１＞〜＜６＞と表記する。
図４では、添加元素Ｘを導入したダイヤモンド(111)Pandey表面モデルの平面図を示している。左図と右図は、それぞれｓｐ２サイト、ｓｐ３サイトに添加元素Ｘを導入したものを示している。点線は、ユニットセルの境界を示している。＜１＞〜＜６＞は、吸着サイトを示している。
【００５７】
図４に示すように、制御部１１は、Ｘをpandey表面モデルのｓｐ２サイト又はｓｐ３サイトに導入した。また、制御部１１は、Ｈ（水素）をサイト＜１＞〜＜６＞に吸着させた。すなわち、本実施例では、添加元素を導入するサイト及び分子を吸着させるサイトの組合せは、６通りである。前述した通り、制御部１１は、例えば、添加元素を導入するサイト及び分子を吸着させるサイトの組合せを、計算パターンとして予め記憶部１２に記憶させておく。
【００５８】
表１にＨの安定エネルギーＥａｄを示す。表１は、添加元素Ｘを導入したダイヤモンド(111)Pandey表面モデルにＨ（水素）を吸着させた時の安定エネルギーを示している。＜１＞〜＜６＞は、図４において示されるサイトにＨを吸着させた表面を示している。
【００５９】
【表１】
0005563504.tif 000002
【００６０】
制御部１１は、Ｈの安定エネルギーＥａｄを、Ｅａｄ＝Ｅ（Ｈ吸着、Ｘ導入のPandey表面モデル）−Ｅ（Ｘ導入のPandey表面モデル）−Ｅ（Ｈ２）／２によって計算した。
【００６１】
表１を見ると、添加元素Ｘがｓｐ２サイトに導入された計算パターン（表１の＜１＞〜＜３＞）は、添加元素Ｘがｓｐ３サイトに導入された計算パターン（表１の＜４＞〜＜６＞）よりも安定、又はほぼ同等の安定性を持っていることが分かる。これは、添加元素Ｘがｓｐ２サイトに安定化できることを示している。特に、Ｘ＝Ｂ（ホウ素）では、Ｘが表面ｓｐ２サイトに多く存在し、Ｘ＝Ｓｉ（シリコン）、Ｔｉ（チタン）では、表面ｓｐ２サイトと表面ｓｐ３サイトに混在すると推察される。
【００６２】
次に、図５を参照しながら、ステップＳ３の第１指標値の算出処理について詳細に説明する。ステップＳ３の第１指標値の算出処理では、ステップＳ２において決定されたＤＬＣ−Ｘの初期構造を用いて、Ｘ−ＯＨエネルギー安定性を検討する。尚、図５における１、２、１’、２’の丸数字に相当する文字コードは、電子出願では利用できない為、以下では、便宜上、＜１＞、＜２＞、＜１’＞、＜２’＞と表記する。
図５では、ＤＬＣ−Ｘの始状態と、Ｘ−ＯＨ吸着した終状態を模式的に示している。また、＜１＞、＜２＞は、図４の＜１＞、＜２＞と対応する。
【００６３】
Ｘ−ＯＨの生成は、大気中や油中に存在する水分子の反応によりもたらされる。そこで、表面に最も露出している表面ｓｐ２サイトに添加元素Ｘが導入されている時に、水分子と反応してＸ−ＯＨが生成すると仮定した。具体的な反応経路の特定は困難であるため、熱エネルギーによって反応バリアは超えられると仮定し、始状態と終状態のエネルギー差によって吸着ＯＨ安定性を考えることにした。
【００６４】
制御部１１は、始状態として表１の＜１＞〜＜３＞の中で最もエネルギーが安定な表面を採用した。Ｘ＝Ｃ（炭素）、Ｓｉ（シリコン）の場合、始状態＜１＞が最もエネルギーが安定であった。
また、制御部１１は、図５に示すように、起こりうる反応として、式（１）を仮定した。
【００６５】
【化１】
0005563504.tif 000003
【００６６】
一方、Ｘ＝Ｂ（ホウ素）、Ｔｉ（チタン）の場合、始状態＜２＞が最もエネルギーが安定であった。
また、制御部１１は、図５に示すように、起こりうる反応として、式（２）、（３）を仮定した。
【００６７】
【化２】
0005563504.tif 000004
【００６８】
制御部１１は、それぞれの場合について、始状態と終状態のエネルギー差を計算した。計算結果を表２に示す。
【００６９】
【表２】
0005563504.tif 000005
【００７０】
表２では、始状態から終状態へのエネルギー差を示している。マイナスは終状態のエネルギーが下がる事を意味する。
表２を見ると、Ｘ＝Ｂ（ホウ素）、Ｓｉ（シリコン）、Ｔｉ（チタン）の場合、Ｘ−ＯＨの形成はエネルギーが安定化する方向になると言える。一方、Ｘ＝Ｃ（炭素）は、Ｃ−ＯHの形成によりエネルギーが不安定化する為、Ｃ−ＯＨの形成は困難であると言える。
【００７１】
次に、図６を参照しながら、ステップＳ３の第２指標値及び第３指標値の算出処理について詳細に説明する。ステップＳ３の第２指標値及び第３指標値の算出処理では、ＯＨが吸着したＤＬＣ−Ｘの分極の度合を算出する。
図６（ａ）では、３Ｃ−Ｘ−ＯＨを模式的に示している。図６（ｂ）では、水分子の分極の度合を示している。
【００７２】
制御部１１は、全てのＸに対して終状態＜１’＞の電子状態計算を行い、原子ごとの正味の電荷、つまりマリケンチャージを導出した。
Ｏ、Ｈ、およびＸとそれに配位する３つの炭素を含んだもの(３Ｃ−Ｘ、図６（ａ）参照)のマリケンチャージの結果を表３に示す。また、参照値として、水分子のマリケンチャージを図６（ｂ）に示す。
【００７３】
【表３】
0005563504.tif 000006
【００７４】
表３は、ＤＬＣ−ＸにＯＨが吸着した表面の分極の度合を示している。
表３、図６（ｂ）を見ると、Ｘ＝Ｓｉ（シリコン）、Ｔｉ（チタン）のＯＨ分極の度合は、水分子のものとほぼ同じ状態となる。一方、その他のＸにおけるＯＨ分極は水分子よりも小さくなる。この結果から、Ｘ−ＯＨの分極が水分子と同等となるＸ＝Ｓｉ（シリコン）、Ｔｉ（チタン）において、水分子の水素結合ネットワークが表面近傍で形成されやすくなり、水分子境界膜生成が促進されると推察される。
【００７５】
次に、ステップ４の判定処理について詳細に説明する。ステップ４の判定処理では、指標値（Ｘ−ＯＨのエネルギー安定性と分極の度合）の考察による低摩擦予測を行う。低摩擦予測の結果を表４に示す。
【００７６】
【表４】
0005563504.tif 000007
【００７７】
表４は、Ｘ−ＯＨ安定性による評価（第１指標値の絶対評価）、分極の度合による評価（第３指標値に対する第２指標値の相対評価）、並びに、Ｘ−ＯＨ安定性及び分極の度合を考慮した低摩擦予測を示している。また、検証結果として、リングオンブロック摩擦試験の結果を示している。
【００７８】
Ｘ-ＯＨ安定性は、Ｘ-ＯＨによりエネルギーが安定化しないものを×、エネルギー安定性が変わらないものを△、エネルギーが０．５ｅＶ程度安定化するものを○、エネルギーが１．０ｅＶ度かそれ以上安定化するものに◎を付した。分極は、０のマリケンチャージが−０．６ｅ程度のものを△、−０．７ｅ程度のものを○、−０．８ｅ程度（水分子の分極と同等以上）のものに◎を付した。
【００７９】
本実施例では、制御部１１は、低摩擦予測の評価を、第１指標値の絶対評価、及び、第３指標値に対する第２指標値の相対評価とした。表４には、低摩擦予測の評価結果として、低摩擦が発現し易い順から、◎  ＞  ○  ＞  ×の３段階評価を示した。
尚、Ｘ−ＯＨの安定性はＸ−ＯＨの生成のし易さを表し、分極はＸ−ＯＨが水を引きつける強さを表すと考えられるので、低摩擦予測の評価には、Ｘ−ＯＨの安定性を高く反映させた。
【００８０】
また、実施例の検証結果として、リングオンブロック摩擦試験の結果も表４に示す。荷重は１３０Ｎ、すべり速度０．３ｍ／ｓ、潤滑油は８０℃の無添加鉱油中で行われた。ＤＬＣ−ＳｉはプラズマＣＶＤ法、その他のＤＬＣ−Ｘはスパッタ法で作製された。
表４を見ると、本実施例における予測支援装置１の低摩擦予測の結果と、リングオンブロック摩擦試験の結果は、傾向が一致することが分かる。すなわち、予測支援装置１は、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣの予測を精度良く行うことができると言える。
【００８１】
以上、本実施例では、低摩擦特性を発現するＤＬＣ−Ｘを探索するため、Ｘ＝Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（シリコン）、Ｔｉ（チタン）の計算を行った。この計算により、低摩擦特性の序列は、Ｓｉ（シリコン）、Ｔｉ（チタン）  ＞  Ｂ（ホウ素）  ＞  Ｃ（炭素）  と予測された。この予測結果は、実験結果の低摩擦序列と良い一致を示した。これにより、予測支援装置１は、低摩擦特性を発現する元素添加ＤＬＣを精度良く予測することができると言える。
【００８２】
本発明は、ＤＬＣ表面モデルのユニットセルを拡張することによって、前述したように、添加量を変更したり、複合添加系に適用したりすることも可能である。
例えば、予測支援装置１は、添加量に応じて、ユニットセル内に添加するＸの数を変更すれば良い。
また、例えば、予測支援装置１は、複合添加系の場合、ユニットセル内に、複数の添加元素Ｘ１、Ｘ２、・・・を導入した状態について電子状態計算を行い、複合系添加元素ＤＬＣの初期構造を決定する。そして、予測支援装置１は、初期構造の複合系元素添加ＤＬＣ及び分子が存在する状態を始状態、分子が前記初期構造の複合系元素添加ＤＬＣに吸着した状態を終状態として定義し、指標値の計算を行えば良い。
【００８３】
本発明によって、未知なる添加元素Ｘ、及び、数種類の添加元素Ｘ１、Ｘ２、・・・を導入したＤＬＣの低摩擦予測が可能となる。
【００８４】
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る予測支援装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００８５】
１………予測支援装置
１１………制御部
１２………記憶部
１３………メディア入出力部
１４………通信制御部
１５………入力部
１６………表示部
１７………周辺機器Ｉ／Ｆ部
１８………バス
【図１】
0005563504.tif 000008
【図２】
0005563504.tif 000009
【図４】
0005563504.tif 000010
【図５】
0005563504.tif 000011
【図６】
0005563504.tif 000012
【図３】
0005563504.tif 000013